離網太陽能系統設計中的電源電子解決方案

光伏太陽能安裝成本的迅速下降使此技術逐漸成為支持離網應用的實際解決方案。美國國家可再生能源實驗室（NREL）在2010年計算的太陽能系統安裝成本略高于7美元/瓦，而SolarBuzz表示系統定價正向每千瓦時15.50美元發(fā)展。這是整個系統的定價，包括太陽能電池、能量存儲設備以及充電器和逆變器電源電子裝置。

從便攜式公路施工標志和閃光指示燈，到偏遠的泵站和通信網絡，離網應用看起來有無盡的機遇。成本過高正是此類項目實施的主要障礙，而不斷降低的價格正逐步打破這樣的屏障，使項目的實施變得切實可行。

本文將著重介紹電源電子系統，以及在設計離網太陽能系統時需要牢記的一些關鍵機遇和權衡利弊。在解決大多數系統級問題時，最簡單的方式通常是從最終應用要求開始，然后回過頭來確定和定義整個系統，并確定系統的規(guī)模。

負載

負載幾乎可以是任何設備，但離網應用之所以離網是有原因的。應用可能需要是便攜式的，如施工信息標志或簡單的危險報警閃光燈。考慮到其便攜性，將每個負載都接入電網明顯不可行?；蛘?，也許應用位于偏遠地點，如蜂窩通信塔或偏遠泵站。

我們首先應該確定在開發(fā)離網太陽能解決方案時需要考慮的一些關鍵因素。圖1給出了高階系統框圖。使用能量平衡方法時，關鍵是了解負載，包括其類型和隨時間表現出的特性。

圖1：高階系統框圖

首先要確定負載類型和所有特殊要求。是恒定負載還是可變負載？是僅在白天使用還是僅在夜晚使用？是間斷使用還是持續(xù)使用？了解負載類型及其特性有助于確定系統的實現方案。例如，施工危險報警閃光器通常是恒定脈動負載，可能僅需要在夜晚使用。因此，我們應該在白天對這些負載充電并確定電池的容量，然后在夜晚運行這些負載。信息標志可能是脈動負載，但在白天和夜晚都需要運行。在這種情況下，系統需要確定為在白天支持恒定負載運行，同時對電池組充電以支持整晚連續(xù)運行。同樣，泵負載需要日夜工作，而且不一定是恒定負載。這里，系統需要能應對最壞情況，或者需要備用系統來解決最壞情況。例如，用于排除雨水的泵站可能并不非常適合離網太陽能應用，因為下雨時沒有多少陽光可對電池充電。很明顯，能采用的負載類型幾乎無窮無盡，圖2僅列舉了上面討論過的一些負載類型。

圖2：常見負載類型

在給定幅值和頻率以及工作特性的情況下，關鍵是了解平均日負載。當充分了解負載和工作條件之后，指定能量存儲要求就變得簡單直接了。


確定能量存儲的規(guī)模

由于太陽每天都升起和落下，我們可以通過簡單的24小時能量平衡法來計算基本的能量存儲要求。注意圖3，圖中標識了工作情況。很明顯，確定能量存儲的規(guī)模時必須支持圖左側的情況。

負載可能有明確的量，如若干個施工危險報警閃光燈，也可能有大量變化，如泵應用。處理變化的負載時，最好考慮以下兩種情況。第一種情況是“正?！鼻闆r，覆蓋百分之95的工作情況。能量存儲組件應該在白天充電，其容量應設定為足以在其余的夜晚時間驅動負載。第二種情況是最壞的正常工作情況，覆蓋超過百分之95的情況（即，泵在黃昏開始工作，然后整夜?jié)M載運行）。

下面的公式通過將未進行充電的時間段內的每小時最大負載功率合并在一起，來捕獲最壞情況的能量存儲要求。

還有更壞的情況，即在負載需要工作且無太陽光時，電池組尚未完全充電?？紤]的重點是故障成本（即不閃光或不抽吸）。如果泵不抽吸，成本可能非?？捎^。最顯而易見的解決辦法是增加能量存儲組件的容量。但是，總會有更壞的情況。在不容許出現故障或很少需要使用最大功率的情況下，安裝一個備用系統（如柴油發(fā)電機）并將系統其余部分的規(guī)模調整為僅適用于正常情況是最合理的。

圖3的左側用于確定能量存儲要求，圖3的右側用于確定太陽能陣列的規(guī)模


確定太陽能陣列的規(guī)模

更好地了解負載要求后，我們可以確定太陽能陣列的規(guī)模。根據圖3，太陽能陣列的規(guī)模必須設定為在規(guī)定的充電時間內使充電量滿足能量存儲要求，同時在該時間段內支持平均負載輸出。下面的公式標識了此高階關系。

太陽能陣列輸出功率 = 能量存儲容量/充電時間+平均負載功率

我們可以通過簡化的能量平衡方法估算能量存儲和太陽能陣列組件的尺寸。但是，要對估算值進行精確的調整，還需了解一些內在和外在因素。從外部因素角度來看，最重要的因素之一是離網應用的地點，尤其是緯度。僅憑這一點就可以預計太陽照射峰值量及其在一年中的變化。例如，僅憑應用地點相對于太陽的位置就可以預計太陽照射量在冬季最少，在夏季最多。還有其它外部因素（包括云層覆蓋和環(huán)境溫度）也可能對系統預計接收的陽光照射量以及能量轉換效率產生不利影響。應該清楚這些外部因素將隨著應用和地點的不同而發(fā)生變化。

此外，系統架構（尤其是設備的連接方式）等內部因素也會影響組件的尺寸。遺憾的是，不可能實現100%的轉換效率，因此必須要考慮到損失。在以上論述中，能量存儲和太陽能陣列的規(guī)模決定了可提供的能量和功率。要計算需要產生的功率，需要考慮電源電子裝置。

電源電子裝置拓撲

盡管圖1中的系統框圖有助于了解能量平衡，但要考慮影響組件尺寸的內部因素，還需要更多細節(jié)。圖4更詳細地描述了系統實現。它也提出了會影響電源電子裝置策略的問題。

基于單片機的電源策略可提供極大的靈活性。它允許在各種應用中使用標準參考設計，同時仍然可以滿足應用特定的需求并實現高級功能。它不僅可支持基本電源轉換，還在選擇核心組件方面提供了靈活性，支持各種工作條件下的變化并實現優(yōu)化。此外，還可以輕松實現通信和診斷等高級功能。專用的分立式電源轉換器則無法實現這一點。

在此實現方案中，最大的問題來自于負載；關鍵問題是負載的性質是什幺，以及“負載控制”需要是什幺樣子的？需要電壓還是電流？電壓或電流設定值需要精確到什幺程度？負載控制可能像繼電器一樣簡單，也可能像3相逆變器一樣復雜。不管怎樣，它都需要充電器功能（即電源電子裝置），使用太陽能為能量存儲設備充電。而且，如果系統允許，它還可以提供最大峰值功率跟蹤（MPPT）功能。

可能首先要做出的決策之一是應該使用公共電源軌架構還是分布式電源軌架構。圖5展示了兩者的差別，負載特性很可能對選擇起決定作用。如果負載需要恒定電壓，則圖5a中顯示的公共軌可能是最佳選擇。在這種情況下，負載控制器是一個簡單的繼電器或固態(tài)開關。太陽能直流/直流轉換器使公共軌保持在電壓設定值，電池充電器從母線汲取電力為能量存儲設備充電。這種方法的優(yōu)點和缺點均在于功率轉換步驟?？紤]到85%的平均功率轉換效率，這意味著每次轉換有15%的損失。如果太陽能直流/直流轉換器能夠支持負載，那幺僅需要一個電源轉換步驟。但要給電池充電，則需要兩個電源轉換步驟（太陽能直流/直流轉換器到公共軌以及公共軌到雙向直流/直流轉換器），外加一次額外的轉換（雙向直流/直流轉換器到公共軌）才能支持負載。

如果僅在太陽能直流/直流轉換器不工作時（即夜晚）使用負載，則也可以使用公共軌。在這種情況下，可去掉太陽能直流/直流轉換器，并且可使用能量存儲設備上的雙向直流/直流轉換器通過太陽能陣列為電池充電；也可以使用替代